Sistemas fortemente correlacionados são sistemas feitos de partículas que interagem fortemente umas com as outras, de tal forma que seu comportamento individual depende do comportamento de todas as outras partículas do sistema. Em estados distantes do equilíbrio, esses sistemas às vezes podem dar origem a fenômenos físicos fascinantes e inesperados, como a localização de muitos corpos.

A localização de muitos corpos ocorre quando um sistema feito de partículas em interação falha em atingir o equilíbrio térmico mesmo em altas temperaturas. Em sistemas localizados de muitos corpos, as partículas permanecem em um estado de não equilíbrio por longos períodos de tempo, mesmo quando muita energia está fluindo através delas.

Previsões teóricas sugerem que a instabilidade da fase localizada de muitos corpos é causada por pequenas inclusões térmicas no sistema de interação forte que atuam como um banho. Essas inclusões provocam a deslocalização de todo o sistema, por meio de um mecanismo conhecido como propagação de avalanche.

Pesquisadores do grupo de Markus Greiner, da Universidade de Harvard, realizaram recentemente um estudo explorando esse mecanismo fascinante, mas até agora experimentalmente indescritível. Seu estudo, apresentado na Nature Physics , levou à primeira observação experimental do início de avalanches quânticas em um sistema localizado de muitos corpos.

“Se as partículas permanecem localizadas em um potencial desordenado, ou se elas se espalham, é uma questão de longa data que tem ocupado os físicos por muitas décadas”, disse Julian Léonard, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Phys.org. "Esta questão é importante porque nos materiais, a localização está ligada ao transporte eletrônico, portanto, entender as condições em que as partículas se localizam nos dirá por que certos materiais são isolantes ou condutores."

A localização das partículas é um efeito da mecânica quântica, pois depende da natureza ondulatória dos elétrons e do mecanismo de emaranhamento (ou seja, um processo da mecânica quântica através do qual as partículas, neste caso os elétrons, tornam-se altamente correlacionadas). Obter uma melhor compreensão da localização é um objetivo fundamental para a comunidade da física, pois pode informar muito tanto a pesquisa quanto o desenvolvimento tecnológico.

Em primeiro lugar, a localização perfeita é um tópico de pesquisa interessante porque contradiz a termodinâmica, uma das teorias físicas mais renomadas e bem estabelecidas. Em segundo lugar, um sistema com partículas perfeitamente localizadas seria capaz de armazenar informações quânticas por períodos de tempo mais longos, portanto, entender seus mecanismos subjacentes poderia avançar no desenvolvimento da tecnologia quântica, particularmente memórias quânticas.

“Essas chamadas memórias quânticas são necessárias para a computação quântica e protocolos de comunicação”, disse Léonard. "Vários grupos de pesquisa, incluindo o nosso, já haviam visto que as partículas que interagem podem realmente se localizar, e há um consenso generalizado de que essa localização deve prevalecer indefinidamente. No entanto, recentemente a robustez da localização foi debatida, particularmente o que aconteceria se o distúrbio fosse um pouco mais fraco em algum lugar do sistema. Isso pode ser suficiente para destruir a localização?"

O principal objetivo do recente estudo de Léonard e seus colegas foi examinar de perto a localização e sua robustez. Cálculos teóricos anteriores previam que a localização poderia ser destruída em um cenário intrincado e fascinante.

Especificamente, os teóricos previram que, sob as condições certas, as partículas em uma região fracamente desordenada poderiam se deslocar rapidamente para a parte fortemente desordenada de um sistema, deslocalizando-o. Esse fenômeno é conhecido como avalanche quântica, pois pode ser visto como uma onda de partículas localizadas se deslocando em direção a essa região deslocalizada, acelerando rapidamente e deslocalizando todo o sistema, assemelhando-se a uma avalanche.

"Para nós, o desafio era realizar tal sistema experimentalmente no laboratório", disse Léonard. "Para fazer isso, colocamos átomos frios em um potencial que construímos com feixes de laser de formato preciso. Uma parte do potencial era desordenada, a outra parte era sem desordem. Em seguida, esperamos para ver como essas duas regiões interagiriam ao longo do tempo. , e mediu até onde as partículas se espalhariam. Com átomos frios, isso pode ser feito extremamente bem observando-os com um microscópio óptico."

Curiosamente, Léonard e seus colegas descobriram que inicialmente as partículas na parte desordenada de seu sistema se localizariam. Gradualmente, no entanto, as partículas da região não desordenada começaram a se espalhar para a desordenada em uma velocidade crescente, como as previsões teóricas sugeriam que aconteceriam.

Essas observações sugerem que eles sondaram com sucesso o início de uma avalanche quântica em um ambiente experimental pela primeira vez. Notavelmente, isso pode significar que a localização não é tão robusta quanto se acreditava anteriormente e que pode não durar muito tempo. Essas descobertas interessantes podem em breve inspirar novos experimentos destinados a investigar ainda mais as avalanches quânticas e avaliar a robustez da localização em sistemas de muitos corpos que interagem fortemente.

“Nossos experimentos marcam a descoberta de avalanches quânticas, mas são apenas o começo da exploração de suas propriedades”, acrescentou Léonard. "Muitas questões permanecem em aberto, particularmente sob quais condições essas avalanches ocorrem, com que frequência elas surgem e se pode haver maneiras de impedir sua propagação. Esses fatores acabarão por determinar se a localização é sempre instável ou apenas para certas condições. Estamos atualmente trabalhando na realização de sistemas com mais átomos, onde essas questões poderiam ser estudadas com mais detalhes."